ebben az oktatóanyagban megismerjük a MOSFET kapcsolóként való működését. A MOSFET oktatóanyagban láttuk a MOSFET alapjait, típusát, szerkezetét és a MOSFET néhány alkalmazását is.
a MOSFET egyik fontos alkalmazása a teljesítményelektronika területén, hogy egyszerű analóg kapcsolóként konfigurálható. Az ilyen analóg kapcsolók segítségével a digitális rendszerek szabályozhatják a jelek áramlását az analóg áramkörökben.
mielőtt belemennénk a MOSFET kapcsolóként való működésének részleteibe, hadd mutassam be a MOSFET alapjait, működési régióit, belső szerkezetét stb.
a MOSFET-ekkel kapcsolatos további információkért olvassa el a”MOSFET Tutorial” című részt.
vázlat
Bevezetés a MOSFET-be
a MOSFET vagy a fém-oxid félvezető térhatású tranzisztor, ellentétben a bipoláris csomópont tranzisztorral (BJT) egy egypólusú eszköz abban az értelemben, hogy csak a többségi hordozókat használja a vezetésben.
Ez egy olyan típusú térhatású tranzisztor, amelynek szigetelt kapuja van a csatornától (ezért néha szigetelt kapu FET vagy IGFET néven hívják), és a kapu termináljának feszültsége határozza meg a vezetőképességet.
Apropó terminálok, a MOSFET általában egy 3 terminál eszköz, amelyek kapu (G), forrás (ok) és lefolyó (D) (annak ellenére, hogy van egy 4.terminál, amelyet szubsztrátumnak vagy testnek hívnak, általában nem használják sem bemeneti, sem kimeneti csatlakozásban).
MOSFET szimbólum
a MOSFET a MOSFET és a MOSFET kimerülési típusba sorolható. Ezen típusok mindegyikét tovább osztják n-csatornás MOSFET – re és p-csatornás MOSFET-re.
az ilyen típusú MOSFET-ek szimbólumai az alábbi képen láthatók.
a fő különbség a MOSFET és a MOSFET kimerülési mód között az, hogy kimerülési módban a csatorna már kialakult, azaz normálisan zárt (NC) kapcsolóként működik, és bővítési mód esetén a csatorna kezdetben nem alakul ki, azaz Normálisan nyitott (nem) kapcsoló.
MOSFET szerkezet
a MOSFET szerkezete az alkalmazástól függően változik, azaz az IC technológiában a MOSFET-ek meglehetősen oldalirányúak, míg a teljesítmény MOSFET-ek szerkezete inkább függőleges csatorna. Az alkalmazástól függetlenül a MOSFET alapvetően három terminállal rendelkezik: Gate, Drain és Source.
ha figyelembe vesszük az n-csatornás MOSFET-et, mind a forrás, mind a lefolyó n-típusból áll, amelyek p-típusú szubsztrátumban ülnek.
egy MOSFET működése
most próbáljuk megérteni, hogyan működik egy n-csatornás bővítési mód MOSFET. Annak érdekében, hogy lefolyóáramot szállítson, egy csatornának kell lennie a MOSFET lefolyó és forrás régiói között.
egy csatorna akkor jön létre, amikor a VGS kapu és forrás csatlakozók közötti feszültség nagyobb, mint a VTH küszöbfeszültség.
amikor VGS > VTH, a készülék azt mondta, hogy a trióda (vagy állandó ellenállás) régió vagy telítési régió feszültségétől függően a lefolyó és a forrás terminálok VDS.
bármely VGS esetében, ha VDS < VGS – VTH, akkor az eszköz trióda régióban van (más néven állandó ellenállás vagy lineáris régió). Ha VDS > VGS – VTH, akkor a készülék telítettségi tartományba lép.
amikor VGS < VTH, akkor a készülék kikapcsolt állapotban van. A kapuáram mindkét működési régióban nagyon kisebb (majdnem egyenlő nullával). Ezért a MOSFET néven ismert feszültségvezérelt eszköz.
MOSFET jellemzők görbe
az alábbi kép a MOSFET jellemző görbéjét mutatja három működési régióban. Ez ábrázolja a leeresztő áram azonosítóját, szemben a leeresztő feszültség VDS-jével egy adott kapunál a Forrásfeszültség VGS-hez.
MOSFET működési régiók
a MOSFET fent említett működése alapján megállapítható, hogy a MOSFET-nek három működési régiója van. Ezek a következők:
- Cut-off Régió
- lineáris (vagy trióda) Régió
- telítési Régió
a MOSFET a cut-off régióban működik, amikor VGS < VTH. Ebben a régióban a MOSFET kikapcsolt állapotban van, mivel nincs csatorna indukálva a lefolyó és a forrás között.
az indukálandó csatorna és a MOSFET lineáris vagy telítettségi tartományban történő működéséhez VGS > VTH.
a kapu-leeresztő előfeszítő feszültség VGD meghatározza, hogy a MOSFET lineáris vagy telítettségi régióban van-e. Mindkét régióban a MOSFET ON állapotban van, de a különbség lineáris tartományban van, a csatorna folyamatos, a lefolyóáram pedig arányos a csatorna ellenállásával.
a telítettségi régióba érkezve, mint VDS > VGS – VTH, a csatorna kikapcsol, azaz kiszélesedik, ami állandó leeresztő áramot eredményez.
kapcsolás az elektronikában
a félvezető kapcsolás az elektronikus áramkörben az egyik fontos szempont. Az olyan félvezető eszközöket, mint a BJT vagy a MOSFET, általában kapcsolóként működtetik, Vagyis be vagy kikapcsolt állapotban vannak.
ideális Kapcsolójellemzők
ahhoz, hogy egy félvezető eszköz, mint egy MOSFET, ideális kapcsolóként működjön, a következő tulajdonságokkal kell rendelkeznie:
- bekapcsolt állapotban nem szabad korlátozni a hordozható áram mennyiségét.
- kikapcsolt állapotban nem szabad korlátozni a blokkoló feszültséget.
- amikor a készülék be van kapcsolva, nulla feszültségcsökkenésnek kell lennie.
- az off állapot ellenállásának végtelennek kell lennie.
- A készülék működési sebessége nem korlátozott.
gyakorlati kapcsoló jellemzők
de a világ nem ideális, és még a félvezető kapcsolóinkra is alkalmazható. Gyakorlati helyzetben egy félvezető eszköz, mint egy MOSFET, a következő jellemzőkkel rendelkezik.
- bekapcsolt állapotban az energiakezelési képességek korlátozottak, azaz. korlátozott vezetési áram. A blokkoló feszültség kikapcsolt állapotban is korlátozott.
- véges bekapcsolási és kikapcsolási idők, amelyek korlátozzák a kapcsolási sebességet. A maximális működési frekvencia szintén korlátozott.
- amikor az eszköz be van kapcsolva, véges on-állapot ellenállás lesz, ami előremenő feszültségcsökkenést eredményez. Lesz egy véges kikapcsolt állapot ellenállás is, amely fordított szivárgási áramot eredményez.
- egy praktikus kapcsoló bekapcsolt állapotban, kikapcsolt állapotban, valamint átmeneti állapotban (Be-Ki vagy ki-be) tapasztalja az áramkimaradást.
a MOSFET kapcsolóként való működése
ha megértette a MOSFET működését és működési régióit, akkor valószínűleg kitalálta volna, hogyan működik a MOSFET kapcsolóként. Meg fogjuk érteni a MOSFET kapcsolóként való működését egy egyszerű példa áramkör figyelembe vételével.
Ez egy egyszerű áramkör, ahol egy n-csatornás bővítési mód MOSFET bekapcsol vagy kikapcsol egy lámpát. Annak érdekében, hogy a MOSFET kapcsolóként működjön, a világos-sötét és lineáris (vagy trióda) régióban kell működtetni.
tegyük fel, hogy a készülék kezdetben ki van kapcsolva. A kapu és a forrás közötti feszültség, azaz a VGS megfelelően pozitív (technikailag VGS > VTH), a MOSFET belép a lineáris régióba, és a kapcsoló be van kapcsolva. Ez bekapcsolja a fényt.
Ha a bemeneti kapu feszültsége 0V (vagy technikailag < VTH), a MOSFET kikapcsolt állapotba lép és kikapcsol. Ez viszont kikapcsolja a fényt.
példa a MOSFET kapcsolóra
Vegyünk egy olyan helyzetet, amikor egy 12W-os LED-et (12V @ 1A) digitálisan szeretnénk vezérelni egy mikrokontroller segítségével. Ha megnyomja a mikrokontrollerhez csatlakoztatott gombot, a LED-nek be kell kapcsolnia. Ha ismét megnyomja ugyanazt a gombot, a LED-nek ki kell kapcsolnia.
nyilvánvaló, hogy a LED-et nem lehet közvetlenül vezérelni a mikrokontroller segítségével. Szüksége van egy olyan eszközre, amely áthidalja a mikrokontroller és a LED közötti rést.
ennek az eszköznek be kell vennie a mikrokontroller vezérlőjelét (általában ennek a jelnek a feszültsége a mikrokontroller üzemi feszültségtartományában van, például 5V), és táplálnia kell a LED-et, amely ebben az esetben egy 12V-os tápegységből származik.
az eszköz, amelyet használni fogok, egy MOSFET. A fent említett forgatókönyv beállítását a következő áramkör mutatja.
amikor egy 1-es logika (feltételezve, hogy egy 5V-os mikrokontroller, az 1-es logika 5V, a 0-as logika pedig 0V) a MOSFET kapujához kerül, bekapcsol, és lehetővé teszi a leeresztő áram áramlását. Ennek eredményeként a LED be van kapcsolva.
hasonlóképpen, ha 0 logikát adunk a MOSFET kapujához, akkor kikapcsol, majd kikapcsolja a LED-et.
így digitálisan vezérelhet egy nagy teljesítményű eszközt a mikrokontroller és a MOSFET kombinációjával.
fontos megjegyzés
fontos szempont a MOSFET teljesítményeloszlása. Tekintsünk egy MOSFET-et, amelynek lefolyó-forrás ellenállása 0,1^. A fenti esetben, azaz egy 12 W-os LED, amelyet egy 12 V-os tápellátás hajt, 1A lefolyóáramhoz vezet.
ezért a MOSFET Által eloszlatott teljesítmény P = I2 * R = 1 * 0,1 = 0,1 W.
Ez alacsony értéknek tűnik, de ha ugyanazt a MOSFET-et használja, a helyzet kissé más. A motor indítóáram (más néven rohanó áram) nagyon magas lesz.
tehát még 0,1 GB-os RDS esetén is a motor indítása során eloszlott teljesítmény továbbra is jelentősen magas lesz, ami termikus túlterheléshez vezethet. Ezért az RDS kulcsfontosságú paraméter lesz az alkalmazás MOSFET kiválasztásához.
Motor vezetésekor a hátsó emf is fontos tényező, amelyet figyelembe kell venni az áramkör tervezése során.
a motor MOSFET-tel történő vezetésének egyik fő előnye, hogy bemeneti PWM jel használható a motor sebességének zökkenőmentes szabályozására.